超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置製造方法

2023-09-15 03:28:30 2

超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，包括外螺紋接頭和與之進行螺紋連接的內螺紋接頭；所述內螺紋接頭上的內螺紋接頭主端面為具有傾角的圓環面，所述內螺紋端孔部為圓錐孔；所述外螺紋接頭上的外臺肩面為具有傾角的圓環面，外螺紋接頭的錐管螺紋基部為橢圓弧面，該橢圓弧面的橢圓截面長半軸長度為b，橢圓弧面的橢圓截面短軸長度為2a，該短軸長度2a與長半軸長度b之比2a/b等於內螺紋端孔部的圓錐孔錐度；內、外螺紋接頭上還分別設置有外螺紋中臺肩面和內螺紋中臺肩面。它不僅扭矩承載能力強、螺紋應力分布更加合理，而且密封面配合可靠，密封接觸彈性形變穩定，十分適用於油氣深井、超深井及複雜井的勘探與開採中。
【專利說明】超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於石油天然氣勘探與開採的石油鑽杆的螺紋連接裝置，尤其涉及具有相互螺紋連接的外螺紋接頭和內螺紋接頭的錐形螺紋的螺紋密封配合的連接裝置，這種錐形螺紋連接裝置用於傳遞鑽杆扭矩，並且有嚴密的密封性能。

【背景技術】
[0002]石油鑽杆是石油天然氣勘探和開採的主要設備。油氣井作業是靠鑽杆來傳遞井上和井下間的扭矩，並給井內輸送鑽井液和泥漿；石油鑽杆在鑽井時，主要承受扭轉、拉壓、彎曲、振動等複合載荷，而且鑽杆在正常工作過程中內部充滿了鑽井液，鑽井液的主要作用是把巖屑從井底攜帶至地面，這些液體均具有一定腐蝕性。鑽杆在交變應力及鑽井液的不斷衝刷下，鑽杆內壁容易形成蝕坑，並產生疲勞裂紋，直至發生刺穿和斷裂。鑽杆一旦發生失效斷裂，不僅使鑽杆報廢，而且尋找和更換失效鑽杆要花費大量時間，嚴重影響正常鑽井作業，並給油氣田生產造成重大經濟損失。
[0003]鑽杆接頭由相互螺紋嚙合連接的外螺紋接頭和內螺紋接頭組成，鑽杆接頭將一根根單獨的鑽杆段首尾相連成長達數百米、數千米，甚至萬米的石油鑽杆。鑽杆工作時，不僅要承受巨大的扭矩和交變應力，而且還要耐受巨大的杆內鑽井液壓力。鑽杆接頭由於幾何形狀突變，結構複雜，且最容易形成配合面縫隙和蝕坑，是密封失效形成洩漏的部分，更是整個鑽杆應力集中最嚴重也是最薄弱的部分。因此，鑽杆接頭在鑽杆中工作條件最為惡劣，其疲勞斷裂和洩漏是鑽杆失效的主要原因，這也是引發人們對鑽杆接頭的重點關注和密切研究主要原因。
[0004]目前，國內外石油天然氣鑽採行業普遍採用的單臺肩鑽杆接頭，如按美國石油學會API標準生產製造的單臺肩鑽杆接頭，該類鑽杆接頭包括了能相互螺紋嚙合連接的外螺紋接頭和內螺紋接頭。外螺紋接頭是在其本體上設置有沿徑向布置的直角外臺肩面，在該接頭本體上從外臺肩面向其端部依次為錐管螺紋基部、錐管外螺紋和錐管螺紋前端部；與其螺紋嚙合的內螺紋接頭本體包括內螺紋接頭主端面,在該接頭本體上從內螺紋接頭主端面沿軸向從外向內依次為內螺紋基孔部、錐管內螺紋和內螺紋端孔。用於相互嚙合的錐管外螺紋和錐孔內螺紋具有相同的螺紋節距，以及相應的螺紋牙型及螺紋錐度。接頭連接使用時，外螺紋接頭的外臺肩面與內螺紋接頭的主端面相互過盈貼合，承擔和傳遞鑽杆扭矩並起密封作用，這種具有單臺肩面的鑽頭接頭，其最顯著的特點是只有一個配合臺肩面，該臺肩面不僅與螺紋部分共同承擔鑽杆扭矩，而且起密封作用。其優點在於結構簡單，裝卸使用均較方便，非常適用於一般淺、中深度油氣井的使用要求。但研究表明該類單臺肩螺紋接頭的螺紋部分將承擔大部分的扭矩，應力及扭矩主要集中在螺紋部分的後3個螺紋牙上，這3牙螺紋承擔的應力最高可達總應力的50%以上，且沿配合臺肩至前端螺紋處逐漸降低，至前端螺紋牙幾乎不承擔應力，因此螺紋牙上的應力極不均勻，直接影響接頭的抗疲勞強度及使用壽命，使接頭機械強度不能充分利用。對於深井或複雜井中使用時，由於扭矩過大且過於集中，極容易造成外螺紋的螺紋斷裂或內螺紋脹大等失效事故，而且臺肩面的密封僅依靠單臺肩面之間的接觸應力來完成密封的，在彎曲拉伸截荷情況下，臺肩處接觸應力急劇下降，當應力降低到一定水平，就會發生洩漏，這將嚴重影響鑽井作業的安全。
[0005]為了提高鑽杆接頭的抗扭矩能力，業內設計研發出雙臺肩螺紋接頭，如中國專利公開的極高扭矩的雙臺肩鑽具接頭(專利號98806866.4)，以及美國格蘭特公司的XT、HT等系列雙臺肩接頭產品。雙臺肩鑽杆接頭是在單臺肩面螺紋接頭的基礎上又增加了一個接觸臺肩面，它是將單臺肩螺紋接頭的內螺紋端孔改成沿徑向布置的直角型內臺肩面；外螺紋接頭的錐管螺紋前端部改成能與內臺肩面貼合的外螺紋接頭前端面，內、外螺紋接頭接合時，外螺紋接頭的外臺肩面和內螺紋接頭的主端面形成一主接合臺肩，外螺紋接頭的前端面與內螺紋接頭的內臺肩面構成一副接合臺肩。工作時，主、副接合臺肩及螺紋部分分擔了鑽杆扭矩，鑽杆扭矩不再單由主單臺肩面和螺紋部分承擔，而副臺肩面也承擔鑽杆扭矩；尤其是副臺肩的加入，使螺紋部分所承受的應力和扭矩不再主要集中於後3牙螺紋上，由於副臺肩面也對螺紋後段提供應力作用，從而使得扭矩和應力沿螺紋長方向分布更均勻，同時螺紋部分又更多地分擔主副臺肩所受扭矩和應力，使臺肩處的扭矩和應力降低，改善了接頭的整體受力情況。還由於當外螺紋接頭的外臺肩面和其螺紋前端面的距離不等於內螺紋接頭主端面和其內孔端底面間的距離時，鑽杆工作時，內、外螺紋接頭上的螺紋段就會產生一個軸向的預加載應力，這個預加載應力能夠在一定程度上挖掘接頭的強度潛力，並進一步均勻螺紋段的受力情況。
[0006]雖然上述的雙臺肩鑽杆接頭，改善了螺紋接頭的受力狀況，有利於在深井中的應用，但其密封性能仍取決於垂直軸心線的臺肩平面上的接觸應力，其密封性能受鑽杆載荷狀況尤其是軸向載荷狀況的影響甚大，在深井作業中，鑽杆內的液體壓力巨大，其鑽杆接頭的密封性能極不可靠，很難避免鑽杆液的洩漏。為此，業內又出現了一系列旨在改善雙臺肩螺紋接頭密封性能的專利技術，如中國專利「金屬球形密封雙臺肩石油鑽杆接頭」(專利號:201020178278.5)，它是在外螺紋接頭端增加了環狀球面密封面，在內螺紋接頭內孔增加了錐面密封，以球面密封面與錐面密封的相互接觸來實現密封，但這種密封面的接觸應力仍依賴於內、外接頭的相互位置和載荷狀況，尤其是密封面變成錐面與環狀球面的「線接觸面」，密封接觸面小，密封效果仍然極為有限。中國專利「曲面雙臺肩鑽具接頭」(專利號:201220608835.1)，則是將雙臺肩接頭的主、副臺肩接觸面由平面改為曲面，從而增加接觸面積，對密封性能雖有一定的改善，但其密封性能仍取決於軸向載荷和軸向接觸應力。其它密封改進結構還有增加卡槽結構採用不同錐度的錐面結構等等。這些密封結構均存在接觸面小，受鑽杆載荷狀況影響大，密封配合面接觸彈性變形和接觸應力小等不足，從而不能保證可靠的密封性能，尤其是深井或超深井作業中密封性能更加不理想。


【發明內容】

[0007]針對上述現有技術所存在的不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種扭矩承載能力強、螺紋應力分布更加合理的超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，使得螺紋長度方向的應力分布更趨一致，從而最大限度地發揮螺紋段和臺肩面的承載能力。
[0008]本發明的超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，包括外螺紋接頭和與之進行螺紋連接的內螺紋接頭；該外螺紋接頭上設置有外臺肩面和外螺紋前端面，在外臺肩面至外螺紋前端面之間沿軸向依次設置有錐管螺紋基部、錐管外螺紋和外螺紋前端部；所述內螺紋接頭上設置有內螺紋接頭主端面和內臺肩面，在該內螺紋接頭主端面和內臺肩面之間沿軸向依次設置有內螺紋端孔部、錐孔內螺紋和內螺紋基孔部；所述內螺紋接頭上的內螺紋接頭主端面為具有傾角的圓環面，所述內螺紋端孔部為圓錐孔；所述外螺紋接頭上的外臺肩面為具有傾角的圓環面，外螺紋接頭的錐管螺紋基部為橢圓弧面，該橢圓弧面的橢圓截面長半軸長度為b，橢圓弧面的橢圓截面短軸長度為2a，該短軸長度2a與長半軸長度b之比2a/b等於內螺紋端孔部的圓錐孔錐度；所述外螺紋接頭上還設置有外螺紋中臺肩面，該外螺紋中臺肩面將錐管外螺紋分隔成後段外螺紋和前段外螺紋，後段外螺紋的小端直徑大於前段外螺紋的大端直徑；所述內螺紋接頭上也設置有內螺紋中臺肩面，該內螺紋中臺肩面將錐孔內螺紋分隔成後段內螺紋和前段螺紋，後段內螺紋的小端直徑大於前段螺紋的大端直徑。
[0009]採用本發明的技術方案後，由於外螺紋接頭本體上的錐管螺紋基部為橢圓弧面，且其截面橢圓短軸長與長半軸長之比等於與之相配合的內螺紋端孔部錐孔的錐度，內、夕卜螺紋接頭的擰緊過程中，橢圓突起弧面與圓錐孔的錐孔面形成平緩狹長且與錐孔的錐度相適應的密封區域A，該密封區域密封接觸面積大、密封接觸彈性形變穩定，這種由過盈彈性變形形成的密封區域具有強大和穩定的密封接觸應力。而且該密封區域A的接觸應力僅取決於內、外螺紋接頭間相互作用的徑向力，並不依賴於鑽杆的軸向緊定力和載荷狀況，形成了嚴密、穩定可靠的全密封結構。還由於外螺紋接頭本體上的外臺肩面和內螺紋接頭本體上的內螺紋接頭主端面均為具有傾角的圓環面，該上臺肩面和主端面的相互以傾斜面的接觸貼合，又為橢圓弧密封面提供了強有力的徑向接觸應力，既確保了密封效果的可靠，又保證了接頭結構安全穩定性。更由於本發明還採用了分段連接螺紋和三臺肩結構，在前、後段連接螺紋之間，增設了螺紋中臺肩，首先螺紋中臺肩的設置，又進一步均勻了螺紋段各螺紋牙的受力，研究表明兩臺肩結構較單臺肩其受力得到顯著優化，使傳統結構中的根部少數幾牙螺紋集中受力，向其前端螺紋牙轉移，但其連接螺紋的中部螺紋牙仍受力的「凹區」，這種現象在超深井和複雜井中顯得尤為突出，而中臺肩的設置能使連接螺紋的兩端受力向中部進行轉移，兩端受力峰值會得到進一步「削平」，不僅連接螺紋沿軸向受力更加均勻，而且整體承載能力大大提升。也由於在本發明中增加了中臺肩，更容易調整預應力的分布，從而消除錐管直徑變化而帶來的應力不均，使接頭的承載能力更強，受力更加合理。
[0010]本發明的一種優選實施方式，所述橢圓弧面的一截面長軸頂點與錐管外螺紋的最後一螺紋牙相鄰，該橢圓弧面的一截面短軸頂點位於外臺肩面上。該結構較好地實現了螺紋部和螺紋基孔部的過渡，有利於密封面的平滑和順利配合，減少擰接結合阻力，而且結構合理，便於製作加工。
[0011]優選地，所述外臺肩面的傾角α=10°?20° ;所述內螺紋接頭主端面的傾角β=10°?20°。該外臺肩面傾角和內螺紋接頭主端面傾角大小既能增加接頭間的密封效果，更能給弧形密封面提供穩定可靠的徑向接觸力，從而確保嚴密的密封效果。
[0012]優選地，所述外臺肩面的傾角α大於或者等於內螺紋接頭主端面的傾角β。該結構密封配合效果更加穩定，密封性能更優。
[0013]本發明的又一種優選實施方式，所述後段外螺紋和後段內螺紋的螺距為Tl，前段外螺紋和前段內螺紋的螺距為Τ2 ;後段外螺紋與後段內螺紋的位置相對應，前段外螺紋與前段內螺紋的位置相對應；所述螺距Τ2大於或等於螺距Tl。在該結構中，靠近小端一側的前段螺紋螺距T2大於大端一側的後段螺紋螺距Tl，這樣當內、外螺紋接頭擰緊一定圈數後，前段結合的螺紋較後段螺紋產生不同的彈性變形量，前段彈性變形量大於後段的彈性變形量，迫使後段螺紋的受力向前段螺紋轉移，從而有效地解決了接頭連接螺紋沿長度方向嚴重不均的問題，避免傳統接頭結構螺紋受力大部集中於根部3牙的現象，使各螺紋牙上的受力和應力變得均勻，極大地提高了接頭的抗扭矩和應力承載能力。
[0014]優選地，所述前段外螺紋和前段內螺紋的螺距T2，後段外螺紋和後段內螺紋的螺距1\，T2= (1.00?1.10)1\。這種螺距差既保證了內、外螺紋間在配合狀態下的合理的彈性變形量，從而有效均勻螺紋牙上的受力和應力；這種螺距差也保證了合理的預載荷，以達到足夠的彈性強度。
[0015]進一步地，所述前段外螺紋和前段前段螺紋的螺紋長度為L2，後段外螺紋和後段內螺紋的螺紋長度為LnL2= (1.00?1.10)Llo該結構能較好地適應本發明螺距差的變化需要。
[0016]本發明的另一種優選實施方式，所述外螺紋中臺肩面為垂直於外螺紋接頭軸心線的圓環面，所述內螺紋中臺肩面為垂直於內螺紋接頭軸心線的圓環面。該結構使得內、夕卜螺紋接頭連接配合時，在主臺肩面和副臺肩面之間又形成了中間臺肩面，這樣形成的多個臺肩面更有效地改善了接頭的整體受力狀況，促進扭矩和應力沿螺紋長度方向更加均勻地分布，極大地提高了整體接頭的抗扭矩和承載能力；多臺肩面的多段長度差而形成的先後結合，還在外螺紋接頭和內螺紋接頭的嚙合螺紋段及其相鄰區域產生了分段軸向預加載應力，使鑽杆接頭本體材料的抗拉壓、抗彎曲及抗扭轉強度得到充分利用，並充分發揮接頭本體材料的彈性強度潛力，極大地增強了鑽杆接頭的抗扭矩和承載能力。
[0017]本發明的再一種優選實施方式，所述外螺紋中臺肩面為沿外螺紋接頭徑向設置的環形折面，該折面的折面夾角Y1 ;所述內螺紋中臺肩面為沿內螺紋接頭徑向設置的折面；該折面的折面夾角Y2;外螺紋中臺肩面的折面夾角Y1大於或等於內螺紋中臺肩面的折面夾角、2。該結構除了能有效地改善接頭的整體受力狀況，促進扭矩和應力沿螺紋長度方向更加均勻地分布，極大地提高了整體接頭的抗扭矩和承載能力；還具有極好的內、外螺紋接合定心效果，以提高整個接頭裝置的整體剛度和強度。該結構也提高了整個接頭裝置的密封性能。
[0018]優選地，所述外螺紋中臺肩面的折面夾角Yi =150°?160° ;所述內螺紋中臺肩面的折面夾角Y2 =150°?160°。該折面夾角便於加工和裝配。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作詳細說明。
[0020]圖1是傳統雙臺肩鑽杆接頭中外螺紋接頭的結構示意圖；
圖2是傳統雙臺肩鑽杆接頭中內螺紋接頭的結構示意圖；
圖3是本發明一種【具體實施方式】的外螺紋接頭和內螺紋接頭連接結構的局部示意圖； 圖4是圖3所示結構中I處的局部放大圖；
圖5是圖3所示結構中II處的局部放大圖；
圖6是圖3所示結構中內、外螺紋接頭的螺紋連接關係結構分析圖；
圖7是圖3所實施方式的另一種具體結構意圖； 圖8是圖8所示結構中III處的局部放大圖；
圖9是圖8所示結構中IV的局部放大圖。
[0021 ] 圖中，I一外螺紋接頭、2—外螺紋接頭本體、3—外螺紋接頭管腔、4一外臺肩面、5—錐管螺紋基部、6—錐管外螺紋、61—後段外螺紋、62—外螺紋過渡部、63—前段外螺紋、7—外螺紋前端部、8—外螺紋前端面、9 一內螺紋接頭主端面、10—內螺紋端孔部、11 一錐孔內螺紋、111 一後段內螺紋、112—內螺紋過渡部、113—前段內螺紋、12—內螺紋基孔部、13—內臺肩面、14 一內螺紋接頭、15—內螺紋接頭本體、16—內螺紋接頭管腔、17—外螺紋中臺肩面、18—內螺紋中臺肩面。

【具體實施方式】
[0022]雙臺肩鑽杆接頭均是由相互螺紋嚙合連接的外螺紋接頭I和內螺紋接頭14組成。其外螺紋接頭I的一端與一根鑽杆一端固定連接，外螺紋接頭I的另一端則通過連接螺紋與內螺紋接頭14相連接，內螺紋接頭14的另一端則與另一根鑽杆固定連接，以此來完成各節鑽杆的接長連接。
[0023]如圖1所示，傳統雙臺肩鑽杆接頭的的外螺紋接頭I包括由鍛件製成的外螺紋接頭本體2，該外螺紋接頭本體2大體呈短圓管結構，其軸心位置設置有外螺紋接頭管腔3，以此與鑽杆管孔相連通。外螺紋接頭本體2的一端與鑽杆固定連接端，另一端則為螺紋連接端。在外螺紋接頭本體2上的螺紋連接端部分設置有外臺肩面4和外螺紋前端面8 ;外臺肩面4為垂直於本體軸線的圓環面，外螺紋前端面8則位於本體的鼻端處且也與本體軸線相垂直。在外臺肩面4至外螺紋前端面8的外螺紋接頭本體2上沿軸向依次設置錐管螺紋基部5、錐管外螺紋6和外螺紋前端部7。錐管螺紋基部5為一圓柱面，該圓柱面一端與外臺肩面4相連，另一端與錐管外螺紋6的大端根部最後一螺紋來相連。外螺紋前端部7也為一圓柱面，它位於錐管外螺紋6小端最前一螺紋牙和外螺紋前端面8之間。錐管螺紋基部5的中心線、錐管外螺紋6所在圓臺的中心線以及外螺紋前端部7的中心線均與外螺紋接頭本體2的軸心線共線。錐管外螺紋6既可為公制錐管螺紋，也可為英制錐管螺紋，或美制錐管螺紋等常用錐管螺紋結構。
[0024]如圖2所示，傳統的內螺紋接頭14也包括有由鍛件製成的內螺紋接頭本體15，內螺紋接頭本體15也大體呈短圓管結構，其軸心位置設有內螺紋接頭管腔16。內螺紋接頭本體15的一端與鑽杆固定連接，另一端為螺紋連接端。在該螺紋連接端部分設置有內螺紋接頭主端面9，該內螺紋接頭主端面9為垂直於本體中心線的圓環面，內螺紋接頭本體15的該端為設有鏜孔，鏜口位置為內螺紋接頭主端面9，鏜孔的孔底為內臺肩面13，該內臺肩面13也為與本體軸線垂直的圓環面。在內螺紋接頭主端面9至內臺肩面13的內螺紋接頭本體15上沿軸向依次設置有內螺紋端孔部10、錐孔內螺紋11和內螺紋基孔部12。內螺紋端孔部10為一段圓柱孔，該圓柱孔一端與內螺紋接頭主端面9相連，另一端與錐孔內螺紋11大端部最後一螺紋牙相連。內螺紋基孔部12也為一與本體軸線垂直的圓柱孔，它位於錐孔內螺紋11小端最前一螺紋牙與內臺肩面13之間。內螺紋端孔部10、錐孔內螺紋11所在圓臺，以及內螺紋基孔部12的中心線均與內螺紋接頭本體15的中心線共線。同樣與錐管外螺紋6相嚙合的錐孔內螺紋11為公制、英制或美制錐管螺紋。
[0025]如圖3、圖4所示外螺紋接頭本體2的軸心位置設有外螺紋接頭管腔3，在外螺紋接頭I的外螺紋接頭本體2上設有外臺肩面4和外螺紋前端面8，在外臺肩面4至外螺紋前端面8的外螺紋接頭本體2上沿軸向依次為錐管螺紋基部5、後段外螺紋61、外螺紋中臺肩面17、前段外螺紋63和外螺紋前端部7。外螺紋接頭I的錐管外螺紋6包括了後段外螺紋61和前段外螺紋63兩段結構，外螺紋中臺肩面17將錐管外螺紋6截分成後段外螺紋61和前段外螺紋63，後段外螺紋61的螺紋段終止於外螺紋中臺肩面17，前段外螺紋63的螺紋段開始於外螺紋中臺肩面17，後段外螺紋61的小端直徑大於前段外螺紋63的大端直徑。外螺紋中臺肩面17為垂直於外螺紋接頭I的外螺紋接頭本體2軸心線的圓環面；外螺紋前端部7為一圓柱面，外螺紋前端面8為垂直於本體軸線的圓柱面，它位於外螺紋前端部7的鼻端；錐管外螺紋6採用錐管螺紋結構，其錐度為1: 6或1: 16，錐管外螺紋6既可是公制錐管螺紋或英制錐管螺紋或美制錐管螺紋；該錐管螺紋及其錐度有利於實現標準化製作和批量化生產，也有利於配件在實際使用中的互換。外臺肩面4為具有前傾角度的圓柱面，該外臺肩面4與外螺紋接頭本體2直徑方向的傾角α應選擇在10° — 20°之間，優先選擇α=15°，該外臺肩面傾角和內螺紋接頭主端面呈傾角結構既能增加接頭間的密封效果，更能給弧形密封面提供穩定可靠的徑向接觸力，從而確保嚴密的密封效果。錐管螺紋基部5為非圓柱面而採用橢圓弧面，在通過外螺紋接頭本體2軸線的截面上，該橢圓弧面的截面橢圓長半軸長度為b，橢圓弧面的截面短軸長度為2a，該截面上橢圓的一個長軸頂點位於錐管外螺紋6的最後一螺紋牙尾端所在的橫截面上，該橫截面通過所述最後一螺紋牙尾端且垂直於外螺紋接頭本體2的軸心線，當然該長軸頂點也可以是在錐管外螺紋6最後一螺紋牙不超一螺距的相鄰區域內；該橢圓弧面的截面橢圓的一個短軸頂點則位於傾斜的外臺肩面4的根部。故而橢圓弧面在橫截面上實際為四分之一橢圓。截面橢圓短軸長度為2a，截面橢圓長半軸長度為b，該短軸長度2a與長半軸長度b之比2a: b等於內螺紋端孔部10的圓錐孔錐度。
[0026]如圖3、圖5所示，內螺紋接頭14的內螺紋接頭本體15軸心位置設有內螺紋接頭管腔16。在內螺紋接頭14的內螺紋接頭本體15上設置有內螺紋接頭主端面9和內臺肩面13，在該內螺紋接頭主端面9和內臺肩面13之間沿軸向依次設置有內螺紋端孔部10、後段內螺紋111、內螺紋中臺肩面18、前段內螺紋113和內螺紋基孔部12。內螺紋接頭14的錐孔內螺紋11包括有後段內螺紋111和前段內螺紋113的兩段結構，內螺紋中臺肩面18將錐孔內螺紋11截分成後段內螺紋111和前段內螺紋113，後段內螺紋111終止於內螺紋中臺肩面18，前段內螺紋113開始於內螺紋中臺肩面18，後段內螺紋111的小端直徑大於前段內螺紋113的大端直徑，內螺紋中臺肩面18為垂直於內螺紋接頭14軸心線的圓環面。內螺紋接頭主端面9為具有傾角的圓柱面,該內螺紋接頭主端面9與內螺紋接頭本體15的直徑方向的傾角β=10° ^20°之間，優先選擇β=15°。內螺紋端孔部10為圓錐孔，該圓錐孔錐度與外螺紋接頭I的錐管螺紋基部5的截面橢圓結構參數相關聯，即橢圓2a: b等於內螺紋端孔部10的圓錐孔錐度。優選地內螺紋端孔部10的圓錐孔錐度等於錐孔內螺紋11的錐度，當然兩者也可以採用不同的錐度。為了增強內、外螺紋接頭的接合效果，可以使外臺肩面4的傾角α大於內螺紋接頭主端面9的傾角β,如採用α=16° , β =15°等等。
[0027]如圖6所示，內、外螺紋接頭相互連接時，後段外螺紋61與後段內螺紋111相旋接，前段外螺紋63與前段內螺紋113相旋接，相互嚙合的前段外螺紋63和前段內螺紋113的螺距T2大於相互嚙合的後段外螺紋61和後段內螺紋111的螺距TpIVT1應在1.0-1.1之間選擇，如優先選擇T2=L 05?\，這種螺距差既保證了內、外螺紋間在配合狀態下的合理的彈性變形量，從而有效均勻螺紋牙上的受力和應力；這種螺距差也保證了合理的預載荷，以達到足夠的彈性強度。前段外螺紋63和前段內螺紋113的螺紋長度L2大於或等於後段外螺紋61和後段內螺紋111的螺紋長度L1, L2ZL1應在1.0—1.1之間選擇，優選L2= L1或L2=L 05 L1，該螺紋長度結構能較好地適應本發明螺距差的變化需要。採用上述不等螺距的結構，當內、外螺紋接頭相互旋入一定圈數(或角度)時，前、後兩螺紋段會產生不同的位移，前段螺紋稍快於後段螺紋。這樣一方面會將後段螺紋的扭距和應力向前段螺紋轉移，改變螺紋連接時扭距應力集中於螺紋後部幾螺紋牙的受力狀況，連接螺紋的受力更合理，使整個螺紋的承載能力大為提高。另一方面這種結構又增強了接頭的軸向預加載應力，不僅接頭承載能力增強，而且有效地降低螺紋牙上的內力峰值。
[0028]在上述結構中，本發明不僅具有橢圓弧面和圓錐面接觸的全密封結構，而且具有不等螺距的兩段螺紋結構，更具有三臺肩結構。故具有該結構的鑽杆接頭相互旋接時，外臺肩面4和內螺紋接頭主端面9首先相互接觸，再外螺紋中臺肩面17和內螺紋中臺肩面18相接觸，最後外螺紋前端面8和內臺肩面13又相互接觸。該結構不僅形成了多臺肩分擔鑽杆扭矩和應力結構，而且不等距螺紋和多臺肩的共同使用，使整個接頭的受力更加合理，螺紋段扭矩和應力更均勻，因此具有極高的抗扭轉和承載能力，而且其密封十分嚴密可靠。
[0029]在圖7所示的結構中，除外螺紋中臺肩面17和內螺紋中臺肩面18的結構不同外，其餘與圖3結構相同。如圖7和圖8所示，外螺紋接頭I上的外螺紋中臺肩面17為沿徑向布置的截面呈折面的圓環面，該折面的夾角為Y 1，可根據鑽杆受力和結構尺寸在150° -160°中進行選擇。如圖7和圖9所示，內螺紋接頭14的內螺紋中臺肩面18也為沿徑向布置的截面呈折面的圓環面，該折面夾角Y 2同樣應根據鑽杆受力和結構尺寸在150° -160°之間進行選擇。在實際結構中，為了進一步合理受力，提高整個接頭的連接剛度和穩定性，外螺紋中臺肩面17的折面夾角Y I優先選擇稍大於內螺紋中臺肩面18的折面夾角Υ2，但至少折面夾角Yl等於折面夾角Υ2。這種以折面進行的配合連接，不僅極大地增強了螺紋接頭的抗扭轉和承載能力，而且內外螺紋接頭的連接定心性能好，連接剛度增強。
[0030]上述僅舉出了本發明一些優選的實施方式，顯然本發明並不局限於此，本領域的技術人員在不違背本發明基本原理的情況下，還可以作出很多的改進和變形，這些改進和變形均應視為落入本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，包括外螺紋接頭(I)和與之進行螺紋連接的內螺紋接頭(14);該外螺紋接頭(I)上設置有外臺肩面(4)和外螺紋前端面(8)，在外臺肩面(4)至外螺紋前端面(8)之間沿軸向依次設置有錐管螺紋基部(5)、錐管外螺紋(6)和外螺紋前端部(7);所述內螺紋接頭(14)上設置有內螺紋接頭主端面(9)和內臺肩面(13)，在該內螺紋接頭主端面(9)和內臺肩面(13)之間沿軸向依次設置有內螺紋端孔部(10)、錐孔內螺紋(11)和內螺紋基孔部(12);其特徵在於:所述內螺紋接頭(14)上的內螺紋接頭主端面(9)為具有傾角的圓環面，所述內螺紋端孔部(10)為圓錐孔；所述外螺紋接頭(I)上的外臺肩面(4)為具有傾角的圓環面，外螺紋接頭(I)的錐管螺紋基部(5)為橢圓弧面，該橢圓弧面的橢圓截面長半軸長度為b，橢圓弧面的橢圓截面短軸長度為2a，該短軸長度2a與長半軸長度b之比2a/b等於內螺紋端孔部(10)的圓錐孔錐度；所述外螺紋接頭(I)上還設置有外螺紋中臺肩面(17)，該外螺紋中臺肩面(17)將錐管外螺紋(6)分隔成後段外螺紋(61)和前段外螺紋(63)，後段外螺紋(61)的小端直徑大於前段外螺紋(63)的大端直徑；所述內螺紋接頭(14)上也設置有內螺紋中臺肩面(18)，該內螺紋中臺肩面(18)將錐孔內螺紋(11)分隔成後段內螺紋(111)和前段螺紋(113)，後段內螺紋(111)的小端直徑大於前段螺紋(113)的大端直徑。
2.根據權利要求1所述的超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，其特徵在於:所述橢圓弧面的一截面長軸頂點與錐管外螺紋(6)的最後一螺紋牙相鄰，該橢圓弧面的一截面短軸頂點位於外臺肩面(4)上。
3.根據權利要求1所述的超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，其特徵在於:所述外臺肩面(4)的傾角α = 10°~20° ;所述內螺紋接頭主端面(9)的傾角β =10°~20°。
4.根據權利要求1或3所述的超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，其特徵在於:所述外臺肩面(4)的傾角α大於或者等於內螺紋接頭主端面(9)的傾角β。
5.根據權利要求1所述的超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，其特徵在於:所述後段外螺紋(61)和後段內螺紋(111)的螺距為Tl，前段外螺紋(63)和前段內螺紋(113)的螺距為Τ2;後段外螺紋(61)與後段內螺紋(111)的位置相對應，前段外螺紋(63)與前段內螺紋(113)的位置相對應；所述螺距Τ2大於或等於螺距Tl。
6.根據權利要求1或5所述的高抗扭全密封多臺肩鉛杆接頭，其特徵在於:所述前段外螺紋(63)和前段內螺紋(113)的螺距Τ2，後段外螺紋(61)和後段內螺紋(111)的螺距Tl，Τ2= (1.00 ~1.10) Tl。
7.根據權利要求1所述的超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，其特徵在於:所述前段外螺紋(63)和前段前段螺紋(113)的螺紋長度為L2，後段外螺紋(61)和後段內螺紋(111)的螺紋長度為 LI，L2= (1.00- 1.10) LI。
8.根據權利要求1所述的超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，其特徵在於:所述外螺紋中臺肩面(17)為垂直於外螺紋接頭(I)軸心線的圓環面，所述內螺紋中臺肩面(18)為垂直於內螺紋接頭(14)軸心線的圓環面。
9.根據權利要求1所述超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，其特徵在於:所述外螺紋中臺肩面(17)為沿外螺紋接頭(I)徑向設置的環形折面，該折面的折面夾角Yl ;所述內螺紋中臺肩面(18)為沿內螺紋接頭(14)徑向設置的折面；該折面的折面夾角Υ2 ;外螺紋中臺肩面(17)的折面夾角Y I大於或等於內螺紋中臺肩面(18)的折面夾角Y 2。
10.根據權利要求9所述超抗扭多臺肩的全密封錐管螺紋連接裝置，其特徵在於:所述外螺紋中臺肩面(17)的折面夾角Yl =150°~160° ;所述內螺紋中臺肩面(18)的折面夾角 Y 2 =150。~16 0。。
【文檔編號】E21B17/042GK104074472SQ201410349679
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】趙鈞羨, 崔一洲, 王所根, 丁躍翔, 孫奉存, 沈笑宇 申請人:江蘇和信石油機械有限公司